วิธีการออกแบบและใช้งานเครื่องจักรที่รองรับ IIoT อย่างรวดเร็ว

การออกแบบและปรับใช้เครื่องจักรอย่างรวดเร็วเพื่อความพร้อมในการรวมเข้ากับอินเทอร์เน็ตใน Industrial Internet of Things (IIoT) ถือเป็นความท้าทาย เครื่องจักรที่รองรับ IIoT จะต้องรองรับการใช้งานการสื่อสารและการประสานงานระหว่างเครื่องกับเครื่อง ระหว่างเครื่องกับโรงงาน และระหว่างเครื่องกับคลาวด์อย่างรวดเร็ว

การมีโซลูชันที่ครอบคลุม จำเป็นต้องมีชุดโมดูลควบคุม อินเทอร์เฟซ และการสื่อสารที่ครบถ้วน ความสามารถในการปรับขนาดได้เป็นสิ่งสำคัญ และควรรองรับการติดตั้งอย่างง่ายเพื่อการปรับใช้ที่รวดเร็ว ท้ายที่สุดจะต้องรวมเข้ากับสภาพแวดล้อมของผู้จัดจำหน่ายหลายรายได้อย่างง่ายดายเพื่อรองรับอุปกรณ์รุ่นเก่า

สิ่งที่จะได้รับคือประสิทธิภาพการทำงานที่เพิ่มมากขึ้นในทุกระดับขององค์กรและตลอดวงจรชีวิตของเครื่องจักร

บทความนี้จะกล่าวถึงวิธีการควบคุมมอเตอร์จาก Schneider Electric ที่มอบโซลูชั่นอัตโนมัติครบวงจรให้กับนักออกแบบ โดยจะแสดงให้เห็นถึงคุณลักษณะและประโยชน์ของซอฟต์สตาร์ทเตอร์ Altistart, ไดรฟ์ Altivar, สวิตช์ Ethernet Modicon และตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC), Harmony Control Relay และเบรกเกอร์ PowerPacT

จากนั้นจะอธิบายรายละเอียดถึงองค์ประกอบระบบไอแลนด์ TeSys รองรับโซลูชันที่ครอบคลุมและรวมเข้ากับ Rockwell Studio 5000 และสภาพแวดล้อม Siemens TIA Portal ได้อย่างง่ายดายเพื่อรองรับเครื่องจักรรุ่นเก่าได้อย่างไร และปิดท้ายด้วยการแสดงให้เห็นว่าซอฟต์แวร์ EcoStruxure Machine Expert ของ Schneider Electric ช่วยเร่งการพัฒนา การกำหนดค่า และการใช้งานเครื่องจักรที่รองรับ IIoT ได้อย่างไร

การเคลื่อนไหวถือเป็นคุณลักษณะพื้นฐานของเครื่องจักรในอุตสาหกรรม โดยมีการนำไปใช้งานในรูปแบบต่าง ๆ ตั้งแต่รูปแบบการเคลื่อนไหวง่ายๆ ในระบบต่างๆ เช่น ปั๊ม สายพานลำเลียง และเครน ไปจนถึงรูปแบบการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนในกระบวนการผลิตและการประกอบและหุ่นยนต์

เครื่องจักรที่มีรูปแบบการเคลื่อนไหวเรียบง่ายสามารถใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติที่พบในซอฟต์สตาร์ทเตอร์ เช่น กลุ่มผลิตภัณฑ์ซอฟต์สตาร์ทเตอร์ Altistart ซอฟต์สตาร์ทเตอร์ Altistart รองรับสิ่งต่อไปนี้:

• การเร่งความเร็วที่ควบคุมได้ซึ่งช่วยลดแรงกระแทกทางกลที่อาจเพิ่มการสึกหรอและทำให้ต้องบำรุงรักษานานขึ้นและเครื่องจักรต้องหยุดทำงาน
• จำกัดกระแสไฟกระชากเพื่อลดการใช้พลังงาน
• ปกป้องมอเตอร์จากไฟกระชากที่อาจเกิดขึ้นระหว่างการสตาร์ทเครื่อง ช่วยยืดอายุการใช้งานของมอเตอร์
• ความน่าเชื่อถือที่สูงขึ้นโดยการตรวจจับข้อบกพร่อง เช่น มอเตอร์ล็อค, โหลดต่ำเกินไป, หรือการต่อสายดินที่ไม่ถูกต้อง และส่งการแจ้งเตือนไปยังผู้ปฏิบัติงานเครื่องจักร

เครื่องจักรพื้นฐานที่ไม่ต้องการแรงบิดเริ่มต้นสูงสามารถหันมาใช้ซอฟต์สตาร์ทเตอร์ซีรีส์ ATS01 ได้ การใช้งานอินพุตลอจิก BOOST ทำให้สามารถใช้แรงดันไฟเพิ่ม 100% ของแรงดันไฟฟ้าของมอเตอร์ที่กำหนดเป็นเวลา 200 มิลลิวินาที (ms) เพื่อเอาชนะแรงเสียดทานทางกลเริ่มต้นในระบบ การเพิ่มแรงดันไฟฟ้าตามที่ตั้งโปรแกรมไว้จะเริ่มต้นหลังจากการเพิ่มแรงดันไฟ

โมเดล ATS01N232RT เหมาะสำหรับการซอฟต์สตาร์ทและหยุดมอเตอร์อะซิงโครนัสสามเฟสสูงสุด 15 กิโลวัตต์ (kW) (20 แรงม้า (hp)) โดยมีระยะเวลาเร่งและลดความเร็วตั้งแต่ 1 ถึง 10 วินาที ได้รับการปรับให้เหมาะสมสำหรับการใช้งานที่ขับเคลื่อนด้วยสายพานอย่างง่าย เช่น ปั๊ม คอมเพรสเซอร์ และพัดลมที่ทำงานตั้งแต่ 440 V_AC ถึง 480 V_AC มีการควบคุมอยู่ที่แผงด้านหน้าเพื่อตั้งเวลาเริ่มต้น แรงดันไฟเริ่มต้น และเวลาหยุดสำหรับการติดตั้งและการทดสอบการใช้งาน

นักออกแบบเครื่องจักรสำหรับกระบวนการผลิตและโครงสร้างพื้นฐานที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น เครื่องผสม เครื่องบด และสายพานลำเลียง สามารถหันมาใช้ซอฟต์สตาร์ทเตอร์ Altivar ซีรีส์ ATS480 ได้ ในขณะที่ซอฟต์สตาร์ทเตอร์ที่เรียบง่ายกว่านั้นจะใช้การเพิ่มแรงดันไฟฟ้า โดยซอฟต์สตาร์ทเตอร์ ATS480 จะใช้การเพิ่มแรงบิดที่นุ่มนวลกว่า และสามารถใช้งานฟังก์ชันเบรกได้

โมเดล ATS480C11Y ทำงานที่แรงดันไฟฟ้าตั้งแต่ 208 V_AC ถึง 690 V_AC (รูปที่ 1) ใช้ได้กับมอเตอร์ตั้งแต่ 22 ถึง 90 กิโลวัตต์ (25 ถึง 100 แรงม้า) ขึ้นอยู่กับแรงดันไฟของมอเตอร์ มีพอร์ตสื่อสารอนุกรม Modbus พร้อมขั้วต่อ RJ45 การ์ดการสื่อสารเสริมมีให้เลือกใช้สำหรับ Profibus, PROFINET, Modbus TCP/EtherNet/IP และ CANopen

รูปที่ 1: ซอฟต์สตาร์ทเตอร์ Altivar นี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อใช้กับมอเตอร์อะซิงโครนัสตั้งแต่ 22 ถึง 90 กิโลวัตต์ (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

ขับเคลื่อนเครื่องจักรขั้นสูงยิ่งขึ้น

สามารถรองรับรูปแบบการเคลื่อนไหวที่ซับซ้อนในเครื่องจักรขั้นสูงได้โดยใช้ไดรฟ์ความถี่แปรผัน (VFD) เช่น ตระกูล Altivar 320 ที่มียูนิตที่มีพิกัดตั้งแต่ 0.18 ถึง 15 kW (0.25 ถึง 20 hp) สำหรับการใช้งาน เช่น การจัดการวัสดุ บรรจุภัณฑ์ สิ่งทอ รอกยก แอคชูเอเตอร์เชิงกล และการทำงานกับวัสดุ ATV320U75M3C มีพิกัดที่ 7.5 kW และทำงานที่แรงดันไฟฟ้า 200 V_AC ถึง 240 V_AC

เพื่อเร่งความเร็วในการกำหนดค่าและการใช้งาน ไดรฟ์เหล่านี้จึงมีฟังก์ชัน 150 รายการและเป็นการกำหนดค่ามาตรฐานและปรับแต่งได้ มีฟังก์ชันเฉพาะสำหรับการใช้งานเช่น การจัดการวัสดุ สิ่งทอ รอกยก และแอคชูเอเตอร์เชิงกล

VFD ของ Altivar 320 สามารถควบคุมมอเตอร์แม่เหล็กอะซิงโครนัสและแม่เหล็กถาวรได้อย่างมีประสิทธิภาพสูง รวมถึงความแม่นยำของแรงบิดและความเร็วที่ความเร็วต่ำมาก และการเคลื่อนที่แบบไดนามิกด้วยการควบคุมเวกเตอร์ฟลักซ์โดยไม่ต้องใช้เซ็นเซอร์ เมื่อใช้กับมอเตอร์แบบซิงโครนัสและอะซิงโครนัสสามเฟส โดย VFD เหล่านี้จะมีคุณสมบัติดังนี้:

• รองรับมอเตอร์ความเร็วสูง
• ความแม่นยำของความเร็วคงที่สำหรับมอเตอร์ซิงโครนัสแบบโอเพนลูป
• ตัวเลือกการรวมระบบที่ยืดหยุ่น รวมถึง Ethernet, CANopen, Profibus, EtherCAT, DeviceNet และอื่นๆ อีกมากมาย
• ฟังก์ชันความปลอดภัยในตัวที่สอดคล้องกับมาตรฐานความปลอดภัยในการทำงาน
• รูปแบบต่างๆ เช่น ไดรฟ์ขนาดกะทัดรัดและแบบเปิดตรงกลางที่มีระดับการป้องกันตั้งแต่ IP20 ถึง IP66 รองรับการใช้งานร่วมกับตู้ประเภทต่างๆ (รูปที่ 2)

รูปที่ 2: VFD ของ Altivar 320 มีให้เลือกหลายรูปแบบเพื่อให้ง่ายต่อการติดตั้งและใช้พื้นที่ในตู้อุปกรณ์ให้เกิดประโยชน์สูงสุด (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

เครื่องจักรหลายแกนประสิทธิภาพสูง

สวิตช์ Modicon Ethernet และตัวควบคุมลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ (PLC) สามารถรองรับการออกแบบประสิทธิภาพสูงตั้งแต่แกนอิสระแกนเดียวไปจนถึงเครื่องจักรหลายแกนแบบซิงโครไนซ์ประสิทธิภาพสูงที่ต้องมีตำแหน่งและการเคลื่อนไหวที่แม่นยำและรวดเร็ว เช่น หุ่นยนต์

ตัวควบคุมเอจแบบดั้งเดิมของ IIoT เหล่านี้สามารถเชื่อมต่อกับระบบคลาวด์ได้โดยตรงโดยใช้ Message Queuing Telemetry Transport (MQTT), เซิร์ฟเวอร์และไคลเอ็นต์ Open Platform Communications Unified Architecture (OPC UA) และการเข้ารหัส Transport Layer Security (TLS) โดยมีฟังก์ชันด้านความปลอดภัยทางไซเบอร์ที่ฝังไว้ โดยพอร์ต Ethernet คู่สามารถรองรับโปรโตคอล Ethernet/IP และ Modbus TCP นอกจากนี้ยังมีพอร์ต RS232 และ RS485 พอร์ต USB และช่องสำหรับการ์ด SD

ตัวควบคุม TM262L ใช้สำหรับการควบคุมลอจิกของการจัดเตรียมอินพุต/เอาต์พุตหลายรายการ รวมถึงอินพุตดิจิทัลรวดเร็ว 4 รายการและเอาต์พุตดิจิทัลรวดเร็ว 4 รายการ โดยโมเดล TM262L10MESE8T มีความเร็วในการทำงาน 5 นาโนวินาที (ns) ต่อคำสั่ง โปรเซสเซอร์แบบดูอัลคอร์จัดการการใช้งานและการสื่อสารแบบขนานอย่างมีประสิทธิภาพ (รูปที่ 3)

รูปที่ 3: PLC Modicon M262 นี้รองรับการเชื่อมต่ออีเทอร์เน็ตแบบ IIoT ตั้งแต่เครื่องกับคลาวด์ไปจนถึงเครื่องกับโรงงาน (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

บัส TM4 บนตระกูล Modicon M262 รองรับโมดูลขยายการสื่อสารได้สูงสุด 3 โมดูล โมดูลขยาย Profibus DP (TM4PDPS1 ) และอีเทอร์เน็ต (TM4ES4) สามารถนำไปใช้ในรูปแบบต่าง ๆ ได้สูงสุดถึง 3 โมดูล

ความผิดปกติของการนิงซ์

บางครั้ง เครื่องจักรรวมถึงเครื่องจักรที่รองรับ IIoT จะต้องได้รับการปกป้องจากสภาวะที่ผิดปกติ นั่นคือการที่ Harmony Control Relays เข้ามามีบทบาทซึ้่งจะสามารถตรวจสอบทั้งสภาพทางไฟฟ้าและกลไก และระบุความผิดปกติที่เกี่ยวข้องกับกระแสไฟฟ้า แรงดันไฟฟ้า เฟส ความถี่ ความเร็ว อุณหภูมิ การควบคุมปั๊ม และแม้แต่ระดับของเหลว

การระบุความผิดปกติอย่างรวดเร็วและแม่นยำสามารถเพิ่มเวลาการทำงานและลดความจำเป็นในการบำรุงรักษาที่ไม่ได้กำหนดไว้ล่วงหน้าในการใช้งาน เช่น การสูบน้ำ การจัดการน้ำ รอกยกและลิฟต์ ระบบบรรจุภัณฑ์ และเครื่องจักรสิ่งทอ โดย Harmony Control Relay มีฟังก์ชันให้เลือกใช้มากมายเพื่อให้เหมาะกับความต้องการใช้งานเฉพาะ

รุ่น RMNF22TB30 เป็นรีเลย์สามเฟสที่มีการสื่อสารแบบ Near-field Communications (NFC) ในตัว สามารถตรวจสอบพารามิเตอร์ทั้ง 7 ประการ: การสูญเสียเฟส, ลำดับเฟส, ความไม่สมมาตร, แรงดันไฟฟ้าต่ำเกิน, แรงดันไฟฟ้าสูงเกิน, ความถี่ต่ำเกิน และความถี่สูงเกิน ด้วยการใช้ NFC นักออกแบบสามารถใช้ตรรกะ AND, OR และ NOT เพื่อสร้างชุดการตรวจสอบที่กำหนดเองสำหรับเอาต์พุตรีเลย์ที่กำหนดค่าได้แยกกันสองตัว

สำหรับการใช้งานที่เรียบง่ายกว่าซึ่งต้องการเพียงการตรวจสอบแรงดันไฟเกิน นักออกแบบสามารถหันมาใช้ RM22UA21MR (รูปที่ 4) รีเลย์ควบคุมเฟสเดียวนี้มีฟังก์ชันหน่วยความจำที่เลือกได้และไฟ LED ในตัวที่ระบุสถานะการควบคุม ตัวปรับสกรูช่วยให้สามารถตั้งค่าเกณฑ์ได้อย่างง่ายดายและแม่นยำ และยังมีการจัดการการปิดเครื่องอัตโนมัติและข้อมูลความผิดพลาดเพื่อการระบุความผิดพลาดและการแก้ไขปัญหาอย่างรวดเร็ว

รูปที่ 4: รีเลย์ควบคุมแรงดันไฟฟ้าเกินเฟสเดียวที่มีความสามารถในการสลับ 2 kVA (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

การป้องกันขั้นพื้นฐาน

การใช้งานที่สามารถได้รับประโยชน์จากการป้องกันพื้นฐานมากขึ้นสามารถหันมาใช้เบรกเกอร์ PowerPacT ที่มีพิกัดตั้งแต่ 15 ถึง 125 A และมีให้เลือกทั้งแบบขั้วเดียว สองขั้ว สามขั้ว และสี่ขั้ว เบรกเกอร์แม่เหล็กความร้อนเหล่านี้มีการแสดงสถานะการสัมผัสเชิงบวก และส่งมอบการแยกที่เป็นไปตามมาตรฐาน IEC/EN60947-1 และ IEC/EN60947-2 สำหรับ "สวิตช์เกียร์แรงดันต่ำและอุปกรณ์ควบคุม"

โมเดล BDF16020 เป็นหน่วยขั้วเดี่ยว 20 A ที่มีแรงดันไฟฟ้าปฏิบัติการที่กำหนด 240 V_AC 50/60 Hz ตามมาตรฐาน UL 489 มีอัตรากระแสไฟต่อเนื่องที่ 80% ของอัตราสูงสุด และมีพิกัด "Service Breaking" ตามมาตรฐาน IEC 60947-2 (รูปที่ 5) การอ่านค่า LED ของ VisiTrip ช่วยให้มองเห็นได้ง่ายขึ้นว่าเบรกเกอร์ตัวใดที่ทำงานในกล่องหรือแผงควบคุม นอกจากนี้ยังมีรหัส QR เพื่อเข้าถึงข้อมูล รวมถึงคู่มือการใช้งาน หมายเลขชิ้นส่วน และรูปวาด CAD

รูปที่ 5: เบรกเกอร์ประเภทนี้มีการระบุการสัมผัสเชิงบวกและเป็นไปตามข้อกำหนดการแยกของ IEC/EN60947 (แหล่งที่มาภาพ: DigiKey)

โหนดฟิลด์บัสในตัว

TeSys คือโซลูชันการจัดการโหลดที่เชื่อมต่อกับ IIoT แบบดิจิทัลที่ทำหน้าที่เป็นโหนดในตัวในเครือข่าย Fieldbus และประกอบด้วยโมดูลที่จำเป็นสำหรับการใช้เครื่องจักรที่รองรับ IIoT เป็นอุปกรณ์และอวตารแบบมัลติฟังก์ชันสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่มีโหลดสูงถึง 80 แอมป์ ซึ่งสามารถเร่งเวลาการออกแบบ การเดินสาย และการทดสอบการใช้งานได้

ตัวเชื่อมต่อบัสเช่น TPRBCEIP เป็นโมดูลหลักที่ให้การสื่อสารภายในกับโมดูลไอแลนด์ TeSys ผ่านสายแพ นอกจากนี้ยังเป็นจุดเชื่อมต่อระหว่างไอแลนด์ TeSys และระบบอัตโนมัติภายนอกโดยใช้การสื่อสาร EtherNet/IP หรือ Modbus TCP เว็บเซิร์ฟเวอร์ฝังตัวรองรับการวินิจฉัยและการบำรุงรักษา มีพอร์ตบริการ RJ45 หนึ่งพอร์ตผ่านอีเทอร์เน็ต พอร์ตการ์ด micro SD และพอร์ตสำหรับบัสภายในที่เชื่อมต่อโมดูลต่างๆ ของไอแลนด์ การกำหนดค่าทั่วไปมีดังนี้ (รูปที่ 6):

1. ตัวเชื่อมต่อบัส
2. โมดูลอินพุต/เอาท์พุตแบบแอนะล็อก
3. โมดูลอินพุต/เอาท์พุตดิจิตอล
4. โมดูลอินเทอร์เฟซแรงดันไฟฟ้า
5. สตาร์ทเตอร์มาตรฐาน
6. สตาร์ทเตอร์แบบ Safety Integrity Level (SIL)
7. โมดูลอินเทอร์เฟซ SIL
8. โมดูลอินเทอร์เฟซพลังงาน

รูปที่ 6: หน่วยรวมในในแลนด์ TeSys ทำหน้าที่เป็นโหนดเดียวในเครือข่าย Fieldbus (แหล่งที่มาภาพ: Schneider Electric)

ตัวอย่างโมดูลไอแลนด์ TeSys ได้แก่:

• คอนแทคเตอร์ TeSys Deca รุ่น LC1DT406BL แบบ 4 ขั้ว ปกติเปิด 40 แอมป์ สอดคล้องกับมาตรฐาน IEC60335-1 สำหรับระบบอุตสาหกรรมและระบบ HVAC
• คอนแทคเตอร์ TeSys Giga รุ่น LC1G115EHEN 150 A (75 kW ที่ 440 V_AC แบบ 3 ขั้ว ปกติเปิด ออกแบบมาเพื่อใช้ในงานที่ต้องการความแม่นยำสูงด้วยอัตราการทำงานสูงสุด 600 รอบต่อชั่วโมง และอุณหภูมิในการทำงานสูงสุด +60°C
• โมดูล I/O ดิจิทัลรุ่น TPRDG4X2 ที่มีอินพุตดิจิทัล 4 ช่องและเอาต์พุตดิจิทัล 2 ช่องสามารถจัดการมอเตอร์และโหลดไฟฟ้าอื่นๆ สูงสุด 65 A (37 กิโลวัตต์ 40 แรงม้า) การปรับแต่งและการตั้งค่าทั้งหมดเป็นแบบดิจิทัล และไม่มีปุ่มหมุนเชิงกลหรือสวิตช์ DIP
• สตาร์ทเตอร์มอเตอร์สื่อสาร TeSys Island มีกำลังสูงสุดถึง 40 แรงม้า (80 แอมป์ ที่ 480 โวลต์) สตาร์ทเตอร์ SIL เหล่านี้ตรงตามข้อกำหนดของ IEC 61508, IEC 62061 และ ISO 13849-1 และรองรับ PL d และ SIL 2

ไอแลนด์ TeSys ยังรองรับโซลูชันที่ครอบคลุมและรวมเข้ากับสภาพแวดล้อม Rockwell Studio 5000 และ Siemens TIA Portal ได้อย่างง่ายดายเพื่อรองรับเครื่องรุ่นเก่า

รวมทั้งหมดเข้าด้วยกัน

เมื่อถึงเวลาที่จะสร้างเครื่องจักรให้เสร็จสมบูรณ์ นักออกแบบสามารถหันมาใช้ EcoStruxure Machine Expert ได้ โซลูชันซอฟต์แวร์นี้รองรับการพัฒนา การกำหนดค่า การทดสอบการใช้งาน การทำงาน และการบำรุงรักษาเครื่องจักรที่รองรับ IIoT

EcoStruxure Machine Expert สามารถจัดการกับส่วนประกอบเครื่องจักร IIoT รุ่นล่าสุดได้ทั้งหมด รวมถึง PLC Modicon M262 และระบบการจัดการโหลดดิจิทัล TeSys Island โดยได้รับการออกแบบมาเพื่อส่งมอบเครื่องจักรที่เหมาะสมที่สุดในด้านความปลอดภัย ความน่าเชื่อถือ ประสิทธิภาพ การเชื่อมต่อ และความยั่งยืน และใช้ประโยชน์จาก IIoT ที่มีโซลูชั่นด้านการเคลื่อนที่ การตรวจจับ คลาวด์ การวิเคราะห์ และความปลอดภัยทางไซเบอร์เพื่อให้บรรลุงานที่ซับซ้อนดังกล่าว

สรุป

เครื่องจักรที่รองรับ IIoT ถือเป็นส่วนสำคัญของการดำเนินงานอุตสาหกรรม 4.0 โดยการออกแบบ การทดสอบใช้งาน และการบูรณาการเครื่องจักรเหล่านี้ถือเป็นงานที่ซับซ้อน Schneider Electric มีอุปกรณ์และเครื่องมือซอฟต์แวร์ที่ครอบคลุมสำหรับนักออกแบบเครื่องจักรที่รองรับ IIoT ซึ่งมอบประสิทธิภาพการทำงานที่ปรับปรุงดีขึ้นในทุกระดับขององค์กรและตลอดวงจรชีวิตของเครื่องจักร